JP4509576B2 - 焦点検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、焦点検出装置に関し、特に被写体の広い領域の焦点検出が可能となるとともに、高速に焦点検出を行うことが可能な焦点検出装置に関する。

デジタルカメラやビデオカメラ等に用いられる焦点検出方法としては、いわゆる山登り方式、三角測距方式、位相差方式等が知られている。

山登り方式による焦点検出方法は、撮像素子の出力信号の高周波成分が最大になる位置に撮影レンズを駆動して被写体にピントを合わせる方式である。しかし、この方式は撮影レンズを駆動しながら被写体にピントを合わせる方式であるため、合焦状態に至るまでに比較的時間がかかるという問題がある。

一方、三角測距方式や位相差方式による焦点検出は、被写体までの距離やピントのずれ量を直接求めることができるため迅速な焦点検出が可能であり、特に速写性能が要求されるスチルカメラに適した方式である。

この位相差方式による焦点検出技術として次の２つの技術が公知となっている。

その一つの技術は、撮影レンズの光軸を含まない領域にある被写体からの光束を撮影レンズの射出瞳の異なる領域を通過する一対の光束に分割し、再結像レンズにより光束より一対の光像を形成して受光手段で受け、一対の光像の相対的な偏移を検出することで撮影レンズの焦点検出を行う焦点検出システムに関するものである（例えば、特許文献１参照）。

また、他の技術は、撮影用の光学系に移動可能な瞳を挿入し、この瞳を移動して、瞳領域の異なる複数の画像を時系列的に分割して得て、この複数の画像の相対的な間隔に基づいて焦点状態を検出するようにした焦点検出装置に関するものである（例えば、特許文献２参照）。

さらに特許文献２に記載の技術においては、焦点検出用の複数の画像を撮影している間に、被写体と光学系が相対的に移動する場合、その移動が各画像間の像の位置ずれとなって現れ、相関演算結果に直接影響するため、撮影中の被写体と光学系が相対的に移動したことを加味して、被写体とフォーカスレンズ２の相対移動を補正するようにしている。
特開昭６３−２８４５２６号公報 特開平１０−１７０８１６号公報

しかし、先行技術１記載の技術においては、再結像像面で異なる領域からの光束の受光位置をそれぞれ分離する必要があり、焦点検出可能な範囲を容易に広げることができないという問題があった。従って、被写体の広い領域にピントを合わせたいときには、この問題が顕著になる。また、再結像レンズにより結像した２つの像を受光するため、受光面積の大きい撮像素子を使用する必要があるという問題もあった。

先行文献２に記載の技術では、比較的容易に焦点検出可能な範囲を広げることが可能となるが、時系列的に複数の画像を読み出し、さらに被写体の移動を検出する必要があるため焦点検出に時間がかかるという問題がある。特にデジタルカメラのように速写性能が要求されるカメラに適用する場合には問題となる。

本発明は、係る事情に鑑みてなされたものであって、被写体の広い領域で焦点検出が可能となるとともに、高速に焦点検出を行うことが可能な焦点検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係る請求項１に記載の焦点検出装置は、撮影レンズにより結像した像を第１撮像素子で受光して表示用又は記録用の画像データに変換するとともに、上記第１撮像素子の出力信号を焦点検出に兼用する焦点検出装置であって、撮影レンズと、上記撮影レンズの光軸を中心とする所定領域の射出瞳を透過した被写体光束が結像する位置に配置された第１撮像素子と、上記撮影レンズと上記第１撮像素子との間に配置された絞りと、上記撮影レンズの射出瞳から上記第１撮像素子までの距離と等価な距離である一次結像面近傍に配置されたコンデンサーレンズと、上記１次結像面の像を再結像する再結像レンズと、上記再結像レンズの近傍に配置され、その開口部の中心が、上記コンデンサーレンズにより上記撮影レンズの光軸中心から偏移した射出瞳の位置に投影されるように配置された絞りマスクと、上記絞りの開口径をＤ１、上記撮影レンズの焦点距離をｆ１、上記絞りマスクの開口径をＤ２、上記再結像レンズの焦点距離をｆ２とするとき、ｆ１／Ｄ１とｆ２／Ｄ２がほぼ等しくなるように上記絞りの開口径を制御する絞り制御手段と、上記再結像レンズを透過した光束の結像位置に配置された第２撮像素子と、上記絞り制御手段により上記ｆ１／Ｄ１と上記ｆ２／Ｄ２がほぼ等しくなるように上記絞りの開口径を設定した後に撮像された、上記第１撮像素子の出力信号によって表される第１画像と上記第２撮像素子の出力信号によって表される第２画像との相対的なずれ量に基づいて上記第１撮像素子に結像する第１像の焦点状態を検出する焦点検出手段と、を有する。

また本発明に係る請求項２に記載の焦点検出装置は、上記記載の発明である焦点検出装置において、上記第１撮像素子の複数の画素をまとめて仮想的な１つの画素とみなした単位画素のサイズと上記第２撮像素子の複数の画素をまとめて仮想的な１つの画素とみなした単位画素のサイズの比が、上記再結像レンズの結像倍率に等しくなるようにした。

また本発明に係る請求項３に記載の焦点検出装置は、上記記載の発明である焦点検出装置において、上記第１撮像素子の受ける像の明るさ分布と上記第２撮像素子の受ける像の明るさ分布が等しくなるように補正をする明るさ分布補正手段を有する。

また本発明に係る請求項４に記載の焦点検出装置は、上記記載の発明である焦点検出装置において、上記第２撮像素子に結像する第２像の収差を補正して上記第１撮像素子に結像する第１像に対応する上記第２像の位置を求める収差補正手段を有する。

本発明の焦点検出装置によれば、被写体の広い領域で高精度に焦点検出を行うことができる。

図１は、本発明に係る焦点検出装置を組み込んだ撮像装置の構成を示す図である。

先ず撮影に関する装置各部の構成と動作を説明する。

被写体で反射した光は、撮影レンズとしてのフォーカスレンズ２を経て絞り３、ハーフミラー４を介して撮像素子であるＣＣＤ５上に被写体像を結ぶ。

操作スイッチ２２のレリーズスイッチを操作して記録操作を行うと、ＣＣＤ５で光電変換された信号は撮像回路６に入力され、この撮像回路６により、映像信号が生成される。この映像信号はＡ／Ｄ変換器７によってデジタルの映像信号（画像データ）に変換され、メモリ８に一時格納される。メモリ８の画像データは圧縮／伸張回路１１の圧縮回路で圧縮された後、記録用メモリ１２に記憶される。

また、操作スイッチ２２から再生操作が行われた場合には、記録用メモリ１２に圧縮されて記憶されたデータは圧縮／伸張回路１１の伸張回路で伸張されてメモリ８に一時記憶される。そして、その画像データはＤ／Ａ変換器９でアナログの映像信号に変換された後、ＬＣＤ表示素子（ＬＣＤ）１０で再生画像として表示される。

Ａ／Ｄ変換器７によってＡ／Ｄ変換された画像データはオート露出処理回路（以下、「ＡＥ処理回路」という。）１３とオートフォーカス処理回路（以下、「ＡＦ処理回路」という。）１４に入力される。ＡＥ処理回路１３では、１フレーム（１画面）分の画像データの輝度値を算出する等して被写体の明るさに対応したＡＥ評価値を算出し、ＣＰＵ１５に出力する。

また、ＡＦ処理回路１４では、１フレーム（１画面）分の画像データの輝度成分から高周波成分をハイパスフィルタなどで抽出して、累積加算値を算出する。そして、高域側の輪郭成分等に対応したＡＦ評価値を算出し、ＣＰＵ１５に出力する。

ＣＰＵ１５にはタイミングジェネレータ（以下、「ＴＧ回路」という。）１６から画面レートに同期した所定のタイミング信号が入力され、ＣＰＵ１５はこのタイミング信号に同期して、各種の制御動作を行う。

このＴＧ回路１６からのタイミング信号は撮像回路６にも入力され、撮像回路６は、この信号に同期して、色信号の分離等の処理を行う。また、このＴＧ回路１６は所定のタイミングでＣＣＤ５を駆動するようにＣＣＤドライバ１７を制御する。

次に、測距に関する装置各部の構成と動作を説明する。

フォーカスレンズ２を通過した光束はコンデンサーレンズ２５で集光される。コンデンサーレンズ２５を透過した光束は、絞りマスク２６を介して、再結像レンズ２７により固体撮像素子であるＣＣＤ２８の撮像面に結像する。

図２は、絞りマスク２６の構成を示す図である。光軸中心から偏移した位置に開口部が設けられている。ＣＣＤ２８で光電変換された信号は撮像回路２９に入力され、この撮像回路２９により、映像信号が生成される。この映像信号はＡ／Ｄ変換器３０によってデジタルの映像信号（画像データ）に変換され、メモリ３１に一時格納される。

ＡＦ処理回路３２は、絞りマスク２６を通過した光束による被写体像の所定領域（焦点検出領域）の画像と、ＣＣＤ５に結像した焦点検出領域に対応する画像との間隔に基づいてピント位置からのずれ量であるデフォーカス量を演算する。以下この原理に基づく焦点調節方式を「位相差方式」と呼ぶことにする。

焦点検出領域選択回路３６は焦点検出の対象となる被写体領域を選択する回路である。この被写体領域は、カメラの操作者により手動で選択するものであってもよいし、公知の視線検出装置により撮影者の視線により選択されたものでもよい。

焦点検出領域選択回路３６で選択された焦点検出領域に関する情報はＣＰＵ１５に送信され、焦点検出領域がＬＣＤ１０の表示にスーパーインポーズされる。図３は、ＬＣＤ１０に焦点検出領域を表示している状態を示したものである。

ＣＰＵ３３にはＴＧ回路３４から画面レートに同期した所定のタイミング信号が入力され、ＣＰＵ３３はこのタイミング信号に同期して、各種の制御動作を行う。

このＴＧ回路３４からのタイミング信号は撮像回路２９にも入力される。また、このＴＧ回路３４は所定のタイミングでＣＣＤ２８を駆動するようにＣＣＤドライバ３５を制御する。

ＣＰＵ１５はそれぞれ第１、第２のモータドライブ回路１８、１９を制御することにより、第１、第２のモータ２０、２１を介して絞り３、フォーカスレンズ２を駆動を制御する。

ＣＰＵ１５はＡＥ評価値を基に、オート露出制御を行う。即ち、ＣＰＵ１５は、第１のモータドライブ回路１８を制御して第１のモータ２０を回転駆動し、絞り３の絞り量を適正な値に調整する。ＣＰＵ１５はＣＰＵ３３からＡＦ処理回路３２で演算したデフォーカス量を受信する。そして、ＣＰＵ１５は、このデフォーカス量に基づいて第２のモータドライブ回路１９を介して第２のモータ２１を制御してフォーカスレンズ２を駆動し、合焦状態に設定する。

なお、ＣＰＵ１５にはメモリとして例えば電気的に書換可能で、不揮発性の読み出し専用メモリとしてのＥＥＰＲＯＭ２３が接続されている。このＥＥＰＲＯＭ２３にはＣＰＵ１５を介して各種の制御等を行うプログラム、各種の動作を行うのに使用されるデータ、後述するＣＣＤ５とＣＣＤ２８との結像位置の関係を知るための情報、ＣＣＤ５と撮像素子２８の撮像面の明るさを補正するための情報等が格納されている。そしてこれらの情報は、この撮像装置１の電源がＯＮされた場合などに読み出されて使用される。

また、ＣＰＵ１５は電池２４の電圧を検出して、所定の電圧値以下になった事を検出した場合には、ＬＣＤ１０で電池２４の残量が少ないとか、電池の充電或いは交換などを促す表示を行う。

図４は、本発明の焦点検出の基本原理を説明するための図である。説明を簡単にするために光軸上の被写体の結像状態をもとに説明する。

図４の（ａ）において、フォーカスレンズ２を通過した被写体光束は１次結像面Ｏ１に結像する。ＰはＣＣＤ５の撮像面等価位置である。従って、図４の（ａ）はいわゆる前ピンの状態を示す。Ｐの近傍にはコンデンサーレンズ２５が配置されている。コンデンサーレンズ２５を透過した光束は、絞りマスク２６の開口部を通過し再結像レンズ２７により２次結像面Ｏ２に結像する。

この場合、Ｏ２は、再結像レンズ２７により結像した像を受ける位置に配置されたＣＣＤ２８の前面に位置するので、Ｏ２に結像した像はＣＣＤ２８の撮像面上で光軸より下側の位置にややぼけた像を結ぶ。一方、絞り３を透過した光束はＣＣＤ５に導かれ、同図に示すように、１次結像面Ｏ１を通過した光線は、ＣＣＤ５の撮像面の光軸中心の位置にぼけた像を結ぶ。

図４の（ｂ）は、Ｏ１が撮像面等価位置Ｐに一致する場合を示したものである。つまりフォーカスレンズ２による像のピントが合った状態である。このとき２次結像面Ｏ２はＣＣＤ２８の撮像面に一致し、ＣＣＤ２８の撮像面の光軸中心の位置に像を結ぶ。一方、同図に示すように、１次結像面Ｏ１を通過した光線は、ＣＣＤ５の撮像面の光軸中心の位置に像を結ぶ。

図４の（ｃ）は図４の（ａ）の場合とは逆に、いわゆる後ピンの状態を示す。この場合一次結像面Ｏ２は、ＣＣＤ２８の後面に位置するので、Ｏ２に結像した像はＣＣＤ２８の撮像面上で光軸より上側の位置にややぼけた像を結ぶ。一方、同図に示すように、１次結像面Ｏ１を通過した光線は、ＣＣＤ５の撮像面の光軸中心の位置にぼけた像を結ぶ。

以上説明したように、ＣＣＤ５に結ぶ像とＣＣＤ２８に結ぶ像の相対的な間隔は前ピンと後ピンでは逆方向になり、その間隔は一次結像面Ｏ１とＣＣＤ５の撮像面とのずれ量であるデフォーカス量にほぼ比例して変化する。

図５は、デフォーカス量を求める方法を説明する図である。

絞りマスク２６を通過する主光線の光軸との傾きをα、デフォーカス量をｄ、再結像レンズ２７の倍率をβ、ＣＣＤ２８の撮像面と主光線の交差する位置の光軸中心の位置からのずれ量をＺとすると、Ｚは式（１）で表わされる。

Ｚ＝β・ｄ・ｔａｎα …式（１）
一方、フォーカスレンズ２を透過した光線のうち主光線に対応する光線はＣＣＤ５の撮像面の光軸中心位置に結像する。したがってデフォーカス量ｄは式（２）で表わされる。

ｄ＝Ｚ／（β・ｔａｎα） …式（２）
上述の形態では、被写体が光軸の中心にある場合の焦点検出の原理について説明した。次に図６に示すように焦点検出領域（被写体）が光軸外にある場合の焦点検出の原理について説明する。

図６の（ａ）に示すＣＣＤ５の撮像面上の焦点検出領域の光軸中心からのずれ量Ｚ１と、図６の（ｂ）に示すＣＣＤ２８の撮像面上の焦点検出領域の光軸中心からのずれ量Ｚ２を求める。そして、ずれ量Ｚ２を倍率βが掛かる前のＣＣＤ５の撮像面上のずれ量Ｌ２に換算すると、Ｌ２は式（３）で表わされる。

Ｌ２＝Ｚ２／β …式（３）
Ｌ２とＺ１の差であるΔＺ（＝Ｚ２／β−Ｚ１）はデフォーカス量ｄに比例する。いまこの比例係数をＫとすると、デフォーカス量ｄは式（４）で表わされる。

ｄ＝Ｋ・ΔＺ＝Ｋ・（Ｚ２／β−Ｚ１） …式（４）となる。

なお、焦点検出領域が光軸中心にあるときはＫ＝ｔａｎαとなるが、そうでない場合は、Ｋの値は像高により変化するので、像高に応じたＫの値を予めＥＥＰＲＯＭ２３に記憶しておき、このＥＥＰＲＯＭ２３に記憶されたＫの値を参照して正確なデフォーカス量ｄを求める。

図７は、撮像動作の全体の流れを示すフローチャートである。

ステップＳ７００で、ＡＥ処理回路１３は、１フレーム（１画面）分の画像データの輝度値を算出する等して被写体の明るさに対応したＡＥ評価値を算出し、ＣＰＵ１５に出力する。ステップＳ７０１で、レリーズスイッチの初段の第１のレリーズ（１ｓｔレリーズ）が行われたかどうかを判断し、それが行われるのを待つ待機状態となる。

ステップＳ７０１で１ｓｔレリーズが行われていれば、ステップＳ７０２において、焦点検出領域選択手段３６により選択された焦点検出領域の位置を読み込む。つぎにステップＳ７０３で、ＣＰＵ３３は焦点検出領域中の画像データについて位相差方式に基づきデフォーカス量を演算する。このデフォーカス量の演算については、図１６を参照しながら後で詳述する。

ステップＳ７０４においてデフォーカス量が予め決められた所定の値α以上のときはステップＳ７０５において、ＣＰＵ１５は、位相差方式に基づきフォーカスレンズ２を駆動する。すなわち、デフォーカス量が零になるようにフォーカスレンズ２を駆動する。

つぎに、ステップＳ７０６において山登り方式に基づき所定の時間間隔で画像信号を読み出しながら画像信号に含まれる高周波信号成分が最大値になる位置にフォーカスレンズ２を駆動する。

図８は、合焦動作を説明する図である。図８に記載された座標の縦軸は、合焦動作開始時（＝０秒）からの経過時間を示し、座標の横軸はレンズ位置（∞〜至近）を示している。

上述のようにデフォーカス量が所定量αよりも大きいときは、位相差方式による測距値に基づいてレンズを駆動する（０〜ｔ１間）。これにより、レンズを高速に合焦点近傍に駆動することができる。そしてその後は、山登り方式によるレンズ駆動が実行される（ｔ１〜ｔ２間）。これにより、高精度に焦点を合わすことができる。

このように最終的に山登り方式に基づきフォーカスレンズ２を駆動するのは、デフォーカス量の演算とそのデフォーカス量からフォーカスレンズ２の駆動量に変換する過程で多くの要因による誤差が積算されるため、精度を確保するのが難しい一方、山登り方式は撮影に用いる画像信号そのもののピント状態を評価するものであるため、精度を確保するのが比較的容易なためである。

ステップＳ７０４でデフォーカス量がαよりも小さいときは、位相差方式に基づくフォーカスレンズの駆動は行わず、ステップＳ７０６において山登り方式に基づくレンズ駆動を行う。

つぎに、ステップＳ７０７で１ｓｔレリーズが解除されたかどうかを判断し、それが行われるのを待つ待機状態となる。１ｓｔレリーズが解除されていなければ、ステップＳ７０８で、２ｎｄレリーズ操作が行われたかどうかを判断し、２ｎｄレリーズ操作が行われていなければＪ７０１に分岐する。ステップＳ７０８で２ｎｄレリーズ操作が行われていれば、つぎにステップＳ７０９で、ＣＰＵ１５はＡＥ評価値を基にオート露出制御を行い一連の撮影動作を終了する。

以上述べた本撮像装置の合焦動作は、位相差方式の高速性と山登り方式の高精度という両方のメリットを生かした方式である。

次に、ステップＳ７０３のデフォーカス演算において必要となる、２つの焦点検出領域中の像同士のずれ量を高い精度で求める方法について説明する。

精度の高いずれ量を求めるためには、ＣＣＤ５の画像データ（第１画像データ）とＣＣＤ２８の画像データ（第２画像データ）とが以下の（１）〜（４）の条件を満たすことが必要である。

条件（１）：単位画素の光電変換部に投影される被写体像の面上の面積および形状が同じであること
条件（２）：対応する第１画像データと第２画像データの輝度レベルが同じであること
条件（３）：画像のぼけが同じであること
条件（４）：画像の歪曲収差があっても基準となる画像（基準画像）と参照する画像（参照画像）とが正確に対応すること
上述の条件（１）〜（４）を満たすための具体的解決手段について詳細に説明する。

条件（１）の課題の解決（仮想画素の演算）
フォーカスレンズ２と再結像レンズ２７の撮影倍率や、ＣＣＤ５とＣＣＤ２８の１画素のサイズが異なることを考慮する必要がある。

まず、図９の（ａ）に示すように、焦点検出領域内のＣＣＤ５の複数の画素をまとめて１つの仮想画素を形成し、この仮想画素の基線長方向の幅をＷ１、基線長と直角方向の長さをＨ１とする。そしてＷ１×Ｈ１に含まれるもとの複数の画素の信号を加算した信号、又は平均した信号をＣＣＤ２８の仮想画素の出力とする。

同様に図９の（ｂ）に示すように、焦点検出領域内のＣＣＤ２８の複数の画素をまとめて１つの仮想画素を形成し、この仮想画素の基線長方向の幅をＷ２、基線長と直角方向の長さをＨ２とする。そしてＷ２×Ｈ２に含まれるもとの複数の画素の信号を加算した信号又は平均した信号をＣＣＤ２８の仮想画素の出力とする。

ここで、Ｗ１，Ｗ２，Ｈ１，Ｈ２は、再結像レンズ２７の倍率をβとするとき、β＝Ｗ２／Ｗ１＝Ｈ２／Ｈ１の関係を満たすように設定する。

条件（２）の課題の解決
第１画像データと、対応する第２画像データの輝度レベルが同一であることが必要である。

そこで本実施の形態では、撮像装置１の製造時にこれら２像の明るさ分布を予めＥＥＰＲＯＭ２３に記憶しておき、実際の撮影時にＥＥＰＲＯＭ２３に記憶した補正情報に基づいて、２像の明るさ分布を補正しようというものである。

図１０は、撮像装置１の製造時にＥＥＰＲＯＭ２３にデータを書き込むためのシステムの構成を示す図である。光源１４０２の光が拡散板１４０３で拡散され、撮影レンズには光軸に垂直な面内で均一な光が入射するようになっている。なお、図１と同じ構成については同一符号をつけてその詳細の説明を省略する。

図１１は、ＥＥＰＲＯＭ２３への書き込み動作の手順を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１５０１において、書き込み装置１４０１により撮像装置１をＥＥＰＲＯＭ２３の書き込みモードに設定する。ステップＳ１５０２において、ＣＰＵ１５は絞り３を所定の値に設定する。そして、ＣＣＤ５、ＣＣＤ２８を所定の露光時間だけ露光し第１画像データと第２画像データを取得しそれぞれメモリ８とメモリ３１に記憶する。

次にステップＳ１５０３において、第１画像データ及び第２画像データの中の最大値を検出し、この画像データで他のすべての画素データを除算して正規化する。ステップＳ１５０４において除算した正規化データをＥＥＰＲＯＭ２３に記憶する。この正規化したデータで第１画像データと第２画像データを除算することにより明るさの補正を行う。補正データを正規化するのは、補正後のデータと通常の画像データのレベルをほぼ同じレベルに合わせるためである。

なお、すべての画素について正規化データを記憶するとＥＥＰＲＯＭ２３の容量が大きくなる。そのため、離散的に正規化データを記憶して、この正規化データを用いて補正する際には、離散的なデータから補間によりすべての画素の正規化データを求めるようにしてもよい。

条件（３）の課題の解決
フォーカスレンズ２の位置が合焦位置から大きくはずれていると、絞り開口が大きくなるほど像がぼけるため正確にずれ量を求めるのが難しくなる。また、後述する相関演算により正確なデフォーカス量を求めるにはＣＣＤ５の撮像面に結像する像のぼけ量と、ＣＣＤ２８に結像する像のぼけ量が同じであることが望ましい。

そこで、図１２に示すように絞り３の絞り開口径をＤ１、フォーカスレンズ２の焦点距離をｆ１、絞りマスク２６の開口径をＤ２、再結像レンズ２７の焦点距離をｆ２とするとき、ｆ１／Ｄ１とｆ２／Ｄ２がほぼ等しくなるように絞り３を絞り込む。これによって、画像のボケをほぼ同程度にすることができる。

条件（４）の課題の解決
一般にＣＣＤ５に結像する像（以下「第１像」という。）は、フォーカスレンズ２を含む光学系としては歪曲収差の少ない高性能なレンズを使用する。一方ＣＣＤ２８に結像する像（以下「第２像」という。）はＣＣＤ５に結像する像に較べて歪曲収差が大きい。したがって、第１像の中の基準像と、第２像の中の参照像を一致させるためには、歪曲収差の情報を予め把握しておき、基準像と参照像との関係を正確に対応付ける必要がある。

この基準像と参照像を正確に対応付ける方法として、基準像と参照像の歪曲収差をそれぞれ補正して、基準像と参照像それぞれの理想像を求めることが考えられる。しかしこの方法では、基準像と参照像の両方の歪曲収差を求めるための演算の量が膨大になり、撮像装置の高速処理という要求に応えることができない。

そこで、本発明においては、基準像を形成する第１像を再結像レンズ２７により再結像した像が参照像であることと、基準像と参照像の相対的な位置関係が成立しておればよいことに鑑み、参照像を含む第２像の歪曲収差に基づいて、第１像に対応する参照像の実際の結像位置を求めることにより、基準像に対応する参照像の正確な位置を求める。このようにすることにより、演算が簡単になり高速な処理が可能となる。以下、この補正の原理について詳細に説明する。

歪曲収差を計算で求めるには、図１３に示すように、軸外物点より出た主光線を光線追跡し、ＣＣＤ２８の像面に於いて主光線が像面を切る点をＰとする。このＰと、理想像点Ｐ0（第１像の中の基準像に対応する位置） との距離を理想像の大きさｒ0 で割り、％で表示した値を歪曲Ｄ（ｒ0 ）として定義する。歪曲Ｄ（ｒ0 ）は式（５）で表わされる。

Ｄ（ｒ0 ）＝（（ｒ−ｒ0 ）／ｒ0 ）×１００［％］ …式（５）
この方法で歪曲収差を求め、任意の点の歪曲収差を画像劣化情報とすると、データ容量がたいへん大きくなる。ここでは、歪曲Ｄのカーブはｒ0 の高次の関数になることに着目し、データ容量を少なくすることを考える。

式（５）より、実際の像の大きさ（参照像の結像位置）は式（６）で表わされる。

ｒ ＝ ｒ０・（１＋Ｄ（ｒ０）／１００） …式（６）
具体的には、基準像の光軸からの距離をｒ１とするとき、ｒ０＝β・ｒ１（βは再結像レンズ２７の倍率）を式（６）に代入して求めた値（ｒ）が基準像に対応する参照像の位置ということになる。

なお、上述の実施の形態では歪曲収差に関する高次関数をもとに補正を行ったが、これに限らず、第２像の離散的な複数の位置の歪曲収差Ｄ（ｒ０）を実験的に求め、この情報をＥＥＰＲＯＭ２３に予め記憶しておき、この情報をもとに式（６）により基準像に対応する参照像の位置（ｒ）を求めてもよい。この場合、ＥＥＰＲＯＭ２３に記憶されてない位置の第２像の歪曲収差については、隣接する位置の歪曲収差の情報をもとに公知の補間演算により求めればよい。

続いて、図１４、図１５を参照しながら、実験的に求めた第２像の離散的な複数の位置の歪曲収差情報に基づいて歪曲収差を補正する方法について詳細に説明する。

図１４の（ａ）において、書き込み装置１７０１と撮像装置１の構成は図１０と基本的に同一である。チャート１７０２は図１４の（ｂ）のように格子状になっており、ＣＣＤ５のほぼ全面で受光される大きさである。そして、チャートの格子を構成する線がＣＣＤ５の撮像面上で直線になるように設計されている。したがって、チャート１７０２はフォーカスレンズ２の歪曲収差と逆の方向に格子を構成するそれぞれの直線が歪曲している。なお、コリメータレンズ１７０３はチャート１７０２を等価的に無限大の位置に配置する光学系である。

撮像装置１の製造時に書き込み装置１７０１を、歪曲収差情報書き込みモードに設定し、チャート１７０２の像をＣＣＤ５とＣＣＤ２８で撮像し、それぞれメモリ８とメモリ３１に記憶する。そして、ＣＰＵ１５は、式（５）に基づいて、チャート１７０２の各格子の交点の位置に対応する点について、第１像（ＣＣＤ５に結像する像）を基準としたときの第２像（ＣＣＤ２８に結像する像）の歪曲収差を求める。

図１５の（ａ）は、第１像のうちチャート１７０２の格子の隣接する４個の交点の座標（ｘ１、ｙ１）、（ｘ１、ｙ２）、（ｘ２、ｙ１）、（ｘ２、ｙ２）と、４点の内部に位置する基準像の重心の座標（ｘ、ｙ）を示したものである。

座標（ｘ１、ｙ１）に対応する第１像（ＣＣＤ５に結像する像）を基準としたときの、第２像（ＣＣＤ２８に結像する像）の歪曲収差をつぎのようにして求める。

第１像の光軸と交わる点（図１４（ｂ）の中央の点Ｏに対応する位置とする。）から、（ｘ１、ｙ１）までの距離をｒ１（θ）とする。図１５の（ｂ）に示すように、実測で求めたこの第１像上の（ｘ１、ｙ１）に対応する第２像上の点を（ｘ１´、ｙ１´）とし、第１像の光軸と交わる点Ｏ´から（ｘ１´、ｙ１´）までの距離をｒ（θ）とする。

第１像の光軸と交わる点Ｏ´からβ・ｒ１（θ）の位置に結像するのが理想的であるが、実測の結果、実際はＯ´からｒ（θ）の距離に結像されたのであるから、歪曲収差は式（７）で表わされる。

D(β・r1(θ) )=((r(θ)-β・r1(θ) )/β・r1(θ) )×100[%] …式（７）
同様に式（７）に基づいて、他のすべての格子上の交点に対応する位置の歪曲収差を求めて、第１像の座標位置と歪曲収差の値を関連付けてＥＥＰＲＯＭ２３に記録する。

いま、上述のようにして求めた座標（ｘ１、ｙ１）、（ｘ１、ｙ２）、（ｘ２、ｙ１）、（ｘ２、ｙ２）、（ｘ、ｙ）に対応する点の、第１像（ＣＣＤ５に結像する像）を基準としたときの、第２像（ＣＣＤ２８に結像する像）の歪曲収差をそれぞれＤ（β・ｘ１、β・ｙ１）、Ｄ（β・ｘ１、β・ｙ２）、Ｄ（β・ｘ２、β・ｙ１）、Ｄ（β・ｘ２、β・ｙ２）、Ｄ（β・ｘ、β・ｙ）とする。上述の例ではＤ（β・ｘ１、β・ｙ１）＝Ｄ（β・ｒ１（θ） ）である。

以下直線補間により、歪曲収差の情報が未知の座標（ｘ、ｙ）に対応する点（β・ｘ、β・ｙ）の歪曲収差を求める方法について述べる。

図１５の（a)に示すように（ｘ、ｙ１）、（ｘ、ｙ２）に対応する点（β・ｘ、β・ｙ１）、（β・ｘ、β・ｙ２）の歪曲収差Ｄ（β・ｘ、β・ｙ１）とＤ（β・ｘ、β・ｙ２）を直線補間により求める。

まずｘ方向に直線補間を行って、式（８）、式（９）を得る。

D(β・x、β・y1)=D(β・x1,β・y1)+(D(β・x2、β・y1)-D(β・x1、β・y1))・(x-x1)/(x2-x1) …式（８）
D(β・x、β・y2)=D(β・x1,β・y2)+(D(β・x2、β・y2)-D(β・x1、β・y2))・(x-x1)/(x2-x1) …式（９）
次に、式（８）、式（９）で求めたＤ（β・ｘ−β・ｙ１）、Ｄ（β・ｘ−β・ｙ２）をもとに、ｙ方向に直線補間を行うと、Ｄ（β・ｘ，β・ｙ）は式（１０）で表わされる。

D(β・x、β・y)=D(β・x,β・y1)+(D(β・x、β・y2)-D(β・x、β・y1))・(y-y1)/(y2-y1) …式（１０）
このようにして、離散的な位置の歪曲収差に関する情報をもとに任意の位置の歪曲収差を求めることができる。

そして、基準像（ｘ、ｙ）の光軸からの距離をｒ１とすると、参照像の光軸からの距離は式（６）を用いて、式（１１）で求められる。

r = β・r1・(1+D(β・x、β・y)/100) …式（１１）
そして、参照像の位置を（ｘ´、ｙ´）とすると、この位置は、式（１２）、式（１３）で求められる。

x´=β・x1・(1+D(β・x、β・y)/100) …式（１２）
y´=β・y1・(1+D(β・x、β・y)/100) …式（１３）
図１６は、図７のステップＳ７０３のデフォーカス量演算サブルーチンの処理手順を示すフロー図である。

既に条件（３）の課題解決の説明で述べたように、ステップＳ８０１において、ｆ１／Ｄ１とｆ２／Ｄ２がほぼ等しくなるように絞り３を絞り込む。そして、ステップＳ８０２において、ＣＣＤ５とＣＣＤ２８の露光を同時に行い、ＣＣＤ５による第１画像データとＣＣＤ２８による第２画像データを取得する。

ステップＳ８０３では、基準像の光軸からの距離（像高）ｒ１として、ｒ＝β・ｒ１（βは再結像レンズの倍率）を式（６）に代入して求めたｒ０から基準像に対応する参照像の位置を求める。ステップＳ８０４において基準像の位置情報と参照像の位置情報に基づいて、第１画像データと第２画像データの中から、それぞれ基準像のデータと参照像のデータを読み出す。ステップＳ８０５において、ＥＥＰＲＯＭ２３に記録された明るさの補正データに基づいて画像データのレベルを補正する。

つぎに、ステップＳ８０６において、フォーカスレンズ２の焦点位置とＣＣＤ５の撮像面とのずれ量であるデフォーカス量を求める。

まず、上記デフォーカス量を求めるための相関演算の原理について説明する。

図１７の（ａ）は、焦点検出領域選択回路３６によって選択された焦点検出領域に対応するＣＣＤ５の画素の配列を示す図である。１つの画素のサイズはＨ１×Ｗ１とする。この焦点検出領域１内の所定範囲Ｐ１の像を基準像と呼ぶことにする。そして基準像のフォーカスレンズ２の光軸から基線長方向、即ち再結像レンズ２７の光軸と絞りマスク２６の開口部中心を結ぶ直線方向にｉ番目の画素の出力をＳ（ｉ）とする。

図１７の（ｂ）は焦点検出領域２に対応するＣＣＤ２８の画素の配列を示す図である。１つの画素のサイズはＨ２×Ｗ２とする。この焦点検出領域２の中に基準像と同じ画素数からなる参照像Ｐ２を設定し、この参照像の光軸中心から基線長方向にｊ番目の出力をＣ（ｊ）とする。

そして対応する画素の出力の差の絶対値の和を相関量Ａとする。すなわち、相関量Ａは式（１４）で表わされる。

Ａ（ｍ）＝ Σ｜Ｓ（ｉ＋ｋ）−Ｃ（ｊ＋ｋ＋ｍ）｜ …… 式（１４）
式（１４）の変量はｋであり、Ａ（ｍ）はｋが０〜ｎの値をとるときの総和である。

ここでｉは基準部の最初の画素の番号であり、ｊは参照部の画素の最初の番号である。またｋは基準部、参照部の最初の画素から数えてｋ番目の画素を意味する。参照部はｊ＋ｎに、さらに左右に±ｍ程度の余裕を見込む。

ここで、参照部のデータについているｍはＣＰＵ１５の内部で、基準部のデータ番号は固定し、参照部のデータ番号を１個ずつ送っていく操作のためにつけられている。そしてｍを順次１からｐまで変えながら相関量Ａを求め、相関量Ａが最小値をとるとき基準部と参照部の像が一致するものとして、基準部と参照部の像の相対的な距離を求めることができる。

相関量Ａ（ｍ）は最小１画素ごとの値であるため基準部と参照部の像の相対的な距離の精度も１画素が限界となる。そこで、図１８に示すように相関量Ａが最小値をとる前後の相関量の幾何学的な関係から補間により１画素ピッチ以下の高い精度の相対的な距離を求める。この補間によると経験的に１／１０画素以下の高い精度で基準部と参照部の像の相対的な距離を求めることが可能である。なお、補間演算は公知のものである。

図１６に戻り、ステップＳ８０６では、相関演算によって求めた基準部と参照部の像の相対的な距離に基づいて、すでに図４〜図６の説明で述べた原理に基づきデフォーカス量を算出する。そして、ステップＳ８０６のデフォーカス量の演算が終了するとサブルーチンからリターンする。

以上説明した実施の形態では、撮影レンズにより結像した像を撮像素子で受光して記録媒体に記録するとともに、この撮像素子の出力信号を焦点検出に兼用する構成である。そして、この焦点検出装置では、撮影レンズにより結像した像と、その像を再結像した像との、２つの像が干渉することがないため、被写体の広い領域において、焦点検出が可能となる。

また、これら２像間に成立する特定の関係に基づいて歪曲収差を求めて補正を行っているので、演算が簡単になり高速な処理が実現できる。さらに加えて、位相差方式による焦点検出方式を採用しているため、迅速な焦点検出が可能である。

なお、本実施の形態では、撮像装置に適用しているが、本発明はこの形態に限定されず、焦点検出を用いる装置に広く適用することが可能である。

なお、この発明は、実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明に係る焦点検出装置を組み込んだ撮像装置の構成を示す図。 絞りマスク２６の構成を示す図。 焦点検出領域を表示しているＬＣＤを示す図。 焦点検出の基本原理を説明する図。 デフォーカス量を求める方法を説明する図。 焦点検出領域が光軸外にある場合の焦点検出の原理について説明する図。 撮像動作の全体の流れを示すフローチャート。 合焦動作を説明する図。 仮想画素を示す図。 撮像装置の製造時にＥＥＰＲＯＭ２３にデータを書き込むためのシステムの構成を示す図。 ＥＥＰＲＯＭへの書き込み動作の手順を示すフローチャート。 撮像面に結像する像のぼけ量を示す図。 歪曲収差を計算で求める方法を示す図。 歪曲収差を補正する方法を説明する図。 歪曲収差を補正する方法を説明する図。 デフォーカス量演算サブルーチンの処理手順を示すフロー図。 焦点検出領域に対応するＣＣＤの画素の配列を示す図。 補間演算を示す図。

符号の説明

１…撮像装置、２…フォーカスレンズ、３…絞り、４…ハーフミラー、５…ＣＣＤ、１４…ＡＦ処理回路、１５…ＣＰＵ、２３…ＥＥＰＲＯＭ、２５…コンデンサーレンズ、２６…絞りマスク、２７…再結像レンズ、２８…ＣＣＤ、３２…ＡＦ処理回路、３３…ＣＰＵ、３６…焦点検出領域選択回路。

Claims (4)

1. 撮影レンズにより結像した像を第１撮像素子で受光して表示用又は記録用の画像データに変換するとともに、上記第１撮像素子の出力信号を焦点検出に兼用する焦点検出装置であって、
   撮影レンズと、
   上記撮影レンズの光軸を中心とする所定領域の射出瞳を透過した被写体光束が結像する位置に配置された第１撮像素子と、
   上記撮影レンズと上記第１撮像素子との間に配置された絞りと、
   上記撮影レンズの射出瞳から上記第１撮像素子までの距離と等価な距離である一次結像面近傍に配置されたコンデンサーレンズと、
   上記１次結像面の像を再結像する再結像レンズと、
   上記再結像レンズの近傍に配置され、その開口部の中心が、上記コンデンサーレンズにより上記撮影レンズの光軸中心から偏移した射出瞳の位置に投影されるように配置された絞りマスクと、
   上記絞りの開口径をＤ１、上記撮影レンズの焦点距離をｆ１、上記絞りマスクの開口径をＤ２、上記再結像レンズの焦点距離をｆ２とするとき、ｆ１／Ｄ１とｆ２／Ｄ２がほぼ等しくなるように上記絞りの開口径を制御する絞り制御手段と、
   上記再結像レンズを透過した光束の結像位置に配置された第２撮像素子と、
   上記絞り制御手段により上記ｆ１／Ｄ１と上記ｆ２／Ｄ２がほぼ等しくなるように上記絞りの開口径を設定した後に撮像された、上記第１撮像素子の出力信号によって表される第１画像と上記第２撮像素子の出力信号によって表される第２画像との相対的なずれ量に基づいて上記第１撮像素子に結像する第１像の焦点状態を検出する焦点検出手段と、
   を備えたことを特徴とする焦点検出装置。
2. 上記第１撮像素子の複数の画素をまとめて仮想的な１つの画素とみなした単位画素のサイズと上記第２撮像素子の複数の画素をまとめて仮想的な１つの画素とみなした単位画素のサイズの比が、上記再結像レンズの結像倍率に等しくなるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
3. 上記第１撮像素子の受ける像の明るさ分布と上記第２撮像素子の受ける像の明るさ分布が等しくなるように補正をする明るさ分布補正手段を有することを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
4. 上記第２撮像素子に結像する第２像の収差を補正して上記第１撮像素子に結像する第１像に対応する上記第２像の位置を求める収差補正手段を有することを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。

Images